Время
привязки эфемеридной информации
и частотно-временные поправки, имеющие получасовую
кратность от начала суток позволяют точно
определить географические координаты
и скорость движения спутника.
Неоперативная
информация содержит альманах, включающий:
- данные о
состоянии всех спутников системы;
- сдвиг шкалы времени спутника относительно
шкалы системы;
- параметры
орбит всей спутников системы;
- поправку к
шкале времени системы ГЛОНАСС.
Выбор
оптимального «созвездия» КА
и прогноза доплеровского сдвига
несущей частоты обеспечивается
за счет анализа альманаха системы.
Навигационные
сообщения спутников системы
ГЛОНАСС структурированы в виде
суперкадров длительностью 2,5 минуты.
Суперкадр состоит из пяти
кадров длительностью 30 сек. Каждый
кадр содержит 15 строк длительностью
2 сек. Из 2 секунд длительности строки последние
0,3 сек занимает метка времени. Остальная
часть строки содержит 85 символов цифровой
информации, передаваемых с частотой 50
Гц.
В
составе каждого кадра передается
полный объем оперативной информации
и часть альманаха системы. Полный альманах содержится
во всем суперкадре. При этом информация
суперкадра, содержащаяся в строках 1-4
относится к тому спутнику, с которого
она поступает (оперативная часть) и не
меняется в пределах суперкадра.
Структура
навигационных сигналов системы GPS
В
системе GPS используется кодовое
разделение сигналов (CDMA), поэтому все
спутники излучают сигналы с одинаковой
частотой. Каждый спутник системы GPS излучает
два фотоманипулированных сигнала. Частота
первого сигнала составляет L1
= 1575,42 МГц, а второго - L2 = 1227,6 МГц.
Сигнал несущей частоты модулируется
двумя двоичными последовательностями,
каждая из которых образована путем суммирования
по модулю 2 дальномерного кода и передаваемых
системных и навигационных данных, формируемых
со скоростью 50 бит/сек.
Рис.14.32
На
частоте L1 передаются две квадратурные
компоненты, биофазноманипулированные
двоичными последовательностями. Первая
последовательность является суммой по
модулю 2 точного дальномерного кода Р или засекреченного
кода Y и навигационных данных. Вторая
последовательность также является суммой
по модулю 2 грубого С/А (открытого) кода
и той же последовательности навигационных
данных.
Радиосигнал
на частоте L2 биофазноманипулирован
только одной из двух раннее рассмотренных
последовательностей. Выбор моделирующей
последовательностей осуществляется
по команде с Землей.
Каждый
спутник использует свойственные
только ему дальномерные коды
С/А и Р(Y). Что и позволяет разделять
спутниковые сигналы. В процессе формирования
точного дальномерного Р(Y) кода одновременно
формируются метки времени спутникового
сигнала.
Состав
и структура навигационных сообщений
спутников системы GPS.
Структурное
деление навигационной информации
спутников системы GPS осуществляется на суперкадры,
кадры, подкадры и слова. Суперкадр образуется
из 25 кадров и занимает 750 сек (12,5 мин). Один
кадр передается в течение 30 сек и имеет
размер 1500 бит. Кадр разделен на 5 подкадров
по 300 бит и передается в течение интервала
6 сек. Начало каждого подкадра обозначает
метку времени, соответствующую началу/окончанию
очередного 6-секундного интервала системного
времени GPS. Подкадр состоит из 10 – 30 бит
слов. В каждом слове 6 младших разрядов
являются проверочными битами. В 1-, 2- и
3 – м подкадрах передаются данные о параметрах
коррекции часов и данные эфемерид КА,
с которыми установлена связь. Содержание
и структура этих подкадров остаются неизменными
на всех страницах суперкадра. В 4- и 5-м
подкадрах содержится информация о конфигурации
и состоянии всех КА системы, альманаха
КА, специальные сообщения, параметры,
описывающие связь времени GPS с UTC и прочее.
Алгоритмы
приема и измерения параметров спутниковых
радионавигационных сигналов
К сегменту потребителей систем GPS и ГЛОНАСС относятся приемники
сигналов спутника. По измерениям параметров
этих сигналов решается навигационная
задача. Приемник можно разделить на три
функциональные части
- радиочастотную;
- цифровой коррелятор;
- процессор.
С
выхода антенно-фидерного устройства
(антенны) сигнал поступает на радиочастотную
часть.
Рис.14.33
Основная задача этой части
заключается в усилении входного
сигнала, фильтрации, преобразования
частоты и аналого-цифровом преобразовании.
Помимо этого, с радиочастотной
части приемника поступает тактовая частота для цифровой
части приемника. С выхода радиочастотной
части цифровые отсчеты входного сигнала
поступают на вход цифрового коррелятора.
В корреляторе спектр сигнала
переносится на «нулевую» частоту.
Это производится путем перемножения входного сигнала коррелятора
с опорным дальномерным кодом и накоплением
на периоде дальномерного кода. В итоге
получаем корреляционные интегралы I и
Q. Отсчеты корреляционных интегралов
поступают в процессор для дальнейшей
обработки и замыкания петель ФАП (фазовая
автоподстройка) и ССЗ (схема слежения
за задержкой). Измерения параметров сигнала
в приемнике производится не непосредственно
по входному сигналу, а по его точной копии,
формируемой системами ФАП и ССЗ. Корреляционные
сигналы I и Q позволяют оценить степень
«похожести» (коррелированности) опорного
и входного сигналов. Задача коррелятора,
помимо формирования интегралов I и Q –
формировать опорный сигнал. Согласно
с управляющими воздействиями (кодами
управления), поступающими с процессора.
Кроме того, в некоторых приемниках коррелятор
формирует необходимые измерения опорных
сигналов и передает их в процессор для
дальнейшей обработки. В то же время, так
как опорные сигналы в корреляторе формируются
по управляющим кодам, поступающим с процессора,
то необходимые измерения опорных сигналов
можно производить непосредственно в
процессоре, обрабатывая соответствующим
образом управляющие коды. Что и делается
во многих современных приемниках.
Какие параметры сигнала измеряет
коррелятор (процессор)? Дальность при радиотехнических
измерениях характеризуется временем
распространения сигнала от объекта измерения
до измерительного пункта. В навигационных
системах GPS/ГЛОНАСС излучение сигналов
синхронизировано со шкалой времени системы,
точнее, со шкалой времени спутника, излучающего
данный сигнал. В то же время потребитель
имеет информацию о расхождении шкалы
времени спутника и системы. Цифровая
информация, передаваемая со спутника,
позволяет установить момент излучения
некоторого фрагмента сигнала (метки времени)
спутником в системном времени. Момент
приема этого фрагмента определяется
по шкале времени приемника. Как было сказано
выше, шкала времени приемника потребителя
формируется с помощью кварцевых стандартов
частоты, поэтому наблюдается постоянный
«уход» шкалы времени приемника относительно
шкалы времени всей спутниковой системы.
Разность между моментом приема фрагмента
сигнала, отсчитанным по шкале приемника
и моментом излучения его спутником, отсчитанным
по шкале спутника, умноженная на скорость
распространения радиоволн, называется псевдодальностью.
Почему псевдодальностью? Потому что она
отличается от истинной дальности на величину,
равную произведению скорости света на
«уход» шкалы времени приемника относительно
шкалы времени системы. При решении навигационных
задач этот параметр определяется наравне
с координатами потребителя (приемника).
Корреляционные
интегралы, формируемые в корреляторе,
позволяют отследить модуляцию
сигнала спутника символами информации
и вычислить метку времени
во входном сигнале.
Метки
времени следуют с периодичностью
всех для GPS и 2 сек для ГЛОНАСС и образуют
своеобразную 6 (2) – секундную шкалу. В
пределах одного деления этой шкалы периоды
дальномерного кода образуют 1-мс шкалу.
Одна миллисекунда разделена в свою очередь
на отдельные элементы (CHIPS, в терминалогии
GPS): для GPS 1023, для ГОНАСС – 511.Таким образом,
элементы дальномерного кода позволяют
определить дальность до спутника с погрешностью
≈ 300 м. Для более точного определения
необходимо знать фазу генератора дальномерного
кода. Схемы построения опорных генераторов
коррелятора позволяют определять его
фазу с точностью до 0,01 периода, что составляет
точность определения псевдодальности
3 метра.
На
основании измерений параметров
опорного гармонического колебания, формируемого системой
ФАП, определяют частоту и фазу несущего
колебания спутника. Его уход относительно
номинального значения даст доплеровское
смещение частоты, по которому оценивается
скорость потребителя относительно спутника.
Кроме того, фазовые измерения несущей
позволяют уточнить дальность до спутника
с погрешностью в несколько миллиметров.
14.2.8. Источники ошибок
в СНС. Их возникновение и коррекция
Не смотря на высокую точность
СНС, она все-таки подтверждена
ошибками, которые очень сложно выявить
и устранить. На точность определения
координат существенно влияют ошибки,
которые возникают при выполнении процедур
измерений дальности. Природа этих ошибок
различна.
Неточное
определение времени.
При всей точности временных эталонов ИСЗ существует
некоторая погрешность шкалы времени
аппаратуры спутника («уход» атомных часов).
Обычно ошибки в ходе атомных часов незначительны
(средняя систематическая ошибка определения
координат около 0,6 м), так как они постоянно
отслеживаются наземными комплексами
управления и ими же корректируются. Часы
приемников так же могут иногда вносить
ошибки в вычисления координат и они также
незначительны – исчисляемые несколькими
метрами.
Ошибки вычисления
орбит.
Появляются
вследствие неточностей прогноза и расчета эфемерид
(орбит) спутников, выполняемых в аппаратуре
приемника. Эта погрешность также носит
систематический характер и приводит
к ошибке измерения координат около 1 м.
Инструментальные
ошибки приемников.
Обусловлены, прежде всего, наличием шумов в электронном
тракте приемника. Отношение сигнал/шум
приемника определяет точность процедуры
сравнения принятого от ИСЗ и опорного
сигналов, т.е. погрешность вычисления
псевдодальности. Наличие данной погрешности
приводит к возникновению координатной
ошибки порядка 1,2 м.
Многопутность
распространения сигнала (многолучевая
интерференция).
Появляется в результате вторичных
отражений сигнала спутника от
крупных препятствий, расположенных
в непосредственной близости
от приемника. При этом возникает явление интерференции,
и измеренное расстояние оказывается
больше действительного. Аналитически
данную погрешность оценить достаточно
трудно, а наилучшим способом борьбы с
нею считается рациональное размещение
антенны приемника относительно препятствий.
В результате воздействия этого фактора
ошибка определения псевдодальности может
увеличиться на 2,0 м.
Ионосферные задержки сигнала.
Вычисление
определения дальности предполагают,
что сигнал от спутника распространяется в пространство
с непрерывной скоростью, которая равна
скорости света300000 км/час. Однако скорость
является константной (постоянной) только
в вакууме. Сигнал же от спутника проходит
через слой ионосферы. Ионосфера – это
ионизированный атмосферный слой (слой
заряженных частиц) в диапазоне высот
50-300 км, который содержит свободные электроны.
Наличие этих электронов вызывает задержку
распространения радиосигнала спутника,
которая прямопропорциональна концентрации
электронов и обратно пропорциональна
квадрату частоты радиосигнала.
Для
компенсации, возникающей при
этом ошибки определения псевдодальности,
используется метод двухчастотных
измерений на частотах L1 и L2
(в двухчастотных приемниках). Линейные
комбинации двухчастотных измерений не
содержат ионосферных погрешностей первого
прядка. Кроме того, для частичной компенсации
этой погрешности может быть использована
модель коррекции, которая аналитически
рассчитывается с использованием информации,
содержащейся в навигационном сообщении.
При этом величина остаточной немодулируемой
ионосферной задержки может вызывать
погрешность определения псевдодальности
около 10 метров.
Тропосферные
задержки сигнала.
Тропосфера
– самый нижний от земной
поверхности слой атмосферы (8
– 13 км). Она тоже обуславливает
задержку распространения радиосигнала
от спутника до приемника потребителя.
Величина задержки зависит от
метеопараметров (давления, температуры,
влажности), а также от высоты спутника
над горизонтом. Компенсация тропосферных
задержек производится путем расчета
математической модели этого слоя атмосферы.
Необходимые для этого коэффициенты содержатся
в навигационном сообщении. Тропосферные
задержки вызывают ошибки измерения псевдодальностей
в 1 м.
Все вышерассмотренные ошибки
являются систематическими ошибками,
но существуют еще грубые ошибки,
которые могут привести к ошибкам
в сотни километров. К ним относятся:
- Ошибки сегмента
управления из-за компьютерной или человеческой
ошибки могут вызвать ошибки от одного
метра до сотен километров.
- Ошибки
пользователя, включая неправильный ввод
геодезических данных могут вызвать ошибки
от/до сотен метров.
-Ошибки
приемника из-за программного обеспечения
или отказов аппаратных средств могут
вызывать ошибки любого размера.
Геометрические ошибки – геометрическое
понижение точности (Geometric Dilution of Precisin
– GDOP).
В
зависимости от расположения
спутников в пространстве возникают геометрические ошибки. Точность
измерений может быть хуже или лучше от
того, под каким углом находятся спутники
по отношению к приемнику.
Если
бы спутник и приемник работали
в идеале без ошибок, то пересечение
двух и более спутниковых радиус-векторов показали бы нам точное положение
приемника.
Рис.14.34
В
действительности же искомая
точка нашего местоположения
будет находиться в некоторой
области с разбросом, зависящим
от суммарных выше перечисленных
ошибок измерения расстояний
до спутника.